Verbeteren van toekomstige 5G-cellulaire netwerken

Door: Redactie - 13 november 2020 |

Het verbeteren van de prestaties van toekomstige 5G-cellulaire netwerken

Cum laude voor PhD project over het ontwerp en de karakterisering van nieuwe 5G millimeter-golf antennesystemen voor 5G-cellulaire netwerken

De samenleving is sterk afhankelijk van draadloze communicatie. Veel mensen hebben toegang tot ten minste één mobiele telefoon; in feite zijn er meer mobiele telefoons in gebruik dan de huidige bevolking van de planeet. Binnen vijf jaar zullen er volgens de voorspellingen meer dan vier miljard extra apparaten zijn aangesloten op mobiele netwerken. Als gevolg daarvan zal het dataverkeer toenemen, wat zal leiden tot congestie van het huidige 4G-netwerk. Om dit probleem op te lossen, schakelt de wereld over op mobiele communicatie van de vijfde generatie (5G), maar dit zal een belangrijke wijziging van het antennesysteem vereisen. Elektrotechnisch ingenieur en promovendus Teun van den Biggelaar heeft een antennesysteem ontwikkeld dat gebaseerd is op een gefaseerde aanpak van de array, waardoor betrouwbare communicatie over 5G-cellulaire netwerken mogelijk is. Teun is op 11 november cum laude gepromoveerd op de TU/e.

Het is zeer waarschijnlijk dat u de afgelopen maanden de term 5G heeft gehoord in verband met ontwikkelingen in ons toekomstige communicatienetwerk. Maar wat is 5G precies?

“Vorige cellulaire netwerken waren ‘one-system-fits-all’ oplossingen. 5G is een paradigmaverschuiving in de mobiele communicatie-industrie omdat verschillende frequentiebanden kunnen worden gebruikt voor verschillende toepassingen. In Europa liggen deze banden rond de 700 MHz, 3,5 GHz en 26 GHz”, aldus Van den Biggelaar. “Elke band heeft zijn eigen functionaliteiten en implicaties. In de Electromagnetics Group aan de TU/e onder leiding van professor Bart Smolders richten we ons op 5G-cellulaire netwerken in de 26 GHz band, vaak de 5G millimeter-golf (mm-golf) frequentieband genoemd”.

Deze mm-wave frequentieband biedt een grote bandbreedte en maakt zeer hoge datasnelheden mogelijk. In vergelijking met 4G kan de datasnelheid met een factor 10 tot 100 worden verhoogd.

Verlaagd communicatiebereik van 5G-cellulaire netwerken

Het gebruik van de 5G mm-golffrequentieband kost geld: het communicatiebereik van 5G mm-golffrequenties ligt aanzienlijk lager dan dat van 4G-frequenties, omdat 5G mm-golffrequenties gemakkelijker worden geblokkeerd door objecten zoals bomen en gebouwen. Deze vermindering van het communicatiebereik kan worden opgelost door meer basisstations te installeren, waardoor kleinere cellen in een 5G mm-mm-netwerk kunnen worden gebruikt in vergelijking met de cellen die in een 4G-netwerk worden gebruikt. Een extra maatregel om deze verliezen te compenseren is het verhogen van de zogenaamde “gain” van het antennesysteem door gebruik te maken van phased array systemen.

Het ontwikkelen van een 5G phased array systeem

Typische antennes die in 4G-systemen worden gebruikt, hebben een relatief lage winst, wat betekent dat de straling niet in één bepaalde richting is gericht. Als er meerdere antennes worden gebruikt in een antenne-array, ontstaat er een interferentiepatroon en kan de straling in één richting worden gefocust. Dit leidt tot een systeem met een grotere antenneversterking die de verhoogde verliezen in verband met de 5G mm-band overwint. Door het signaal aan elk antenne-element op een slimme manier aan te passen, kan de richting van de straling zelfs worden veranderd en kan een bewegende gebruiker worden gevolgd.

Zo’n phased array systeem is het meest waarschijnlijk te gebruiken in 5G cellulaire netwerken. Voor zijn promotieonderzoek heeft Van den Biggelaar in samenwerking met NXP Semiconductors in Nijmegen een 5G antennesysteem ontwikkeld.

Karakterisering van antennesystemen

“Het voldoen van antennesystemen aan de voorschriften van standaardontwikkelingsorganisaties en overheidsinstellingen is van groot belang om een betrouwbare communicatie te waarborgen en gezondheidsrisico’s te beperken”, merkt Van den Biggelaar op. “Het nauwkeurig karakteriseren van antennesystemen is daarom uiterst relevant.

De antenne en de elektronica in conventionele 4G-basisstations kunnen afzonderlijk worden ontworpen en gekarakteriseerd. Bij 5G mm-golffrequenties is dit onpraktisch, omdat de afzonderlijke antenne-elementen zeer klein zijn en meestal sterk geïntegreerd. In samenwerking met het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten heeft Teun methoden ontwikkeld om 5G mm-golf (geïntegreerde) antennesystemen nauwkeurig te karakteriseren. Deze methoden leiden tot minder meetfouten en onzekerheid, wat uiteindelijk de betrouwbaarheid van het toekomstige 5G-cellulaire netwerk ten goede komt. Omdat deze methoden ook gelden voor hoogfrequente toepassingen, kan het werk van Van den Biggelaar ook worden toegepast op 6G-netwerk mobiele communicatie.